V2500 低壓渦輪螺帽磅緊力矩扳手固定器的研制

■ 顧杰/北京飛機維修工程有限公司

0 引言

隨著V2500 發動機維修市場的升溫，總裝效率應進一步提升才能滿足市場需要。將低壓渦輪（LPT）單元體水平安裝到發動機上是發動機總裝中重要的一環，LPT 安裝完成標志著發動機進入外部件安裝階段。在原生產廠家的EM 手冊中，V2500 低壓渦輪螺帽安裝和磅緊分兩種情況：一種是帶有風扇單元體進行LPT 的安裝，一種是不需要帶風扇單元體進行LPT 的安裝。其中，帶有風扇單元體進行安裝耗時耗力，還會對發動機零件造成損害，而另一種安裝方法需要特殊的工裝，但在國外定制工裝價格較高，有些工裝還存在尺寸不適用、強度不夠等問題，容易對發動機造成損害。因此，迫切需要研制一種不需帶風扇單元體進行安裝的V2500 LPT 螺帽磅緊力矩扳手固定器。

1 LPT 總裝裝配過程

機械員向發動機內部移動LPT，直到LPT 機匣前安裝邊接觸高壓渦輪（HPT）機匣后安裝邊。將液壓作動器和導向拉手安裝到低壓短軸前安裝邊上，確保液壓作動筒上的液壓連接在作動筒的兩側。

穿過LPT 前安裝邊螺栓孔，在對角位置成對安裝6 個工裝螺栓和螺帽。將LPT 推到正確位置，以相反順序磅緊高/低壓渦輪安裝邊上成對的工裝螺帽。在安裝邊整周施加相同的力將其推緊，同時逐步操作液壓泵，將低壓渦輪軸與低壓短軸連接。將渦輪軸前鎖定螺帽安裝到低壓渦輪軸前部。磅緊低渦軸上的前鎖定螺帽，安裝前鎖定螺帽并用手擰緊（見圖1）。機械扳手簡稱“牛頭”，如圖2 所示，將其安裝在發動機上（見圖3）。

圖1 低壓渦輪單元體前鎖螺帽示意圖

圖2 “牛頭”工裝

圖3 在發動機上安裝“牛頭”

磅緊到初始力矩，再松開螺帽。初始力矩為3150 ～ 3250lbf.ft（4271 ～4407N?m）。安裝前鎖定螺帽并用手擰緊。磅緊到初始力矩，再將前鎖定螺帽旋轉26°，確保磅緊鎖定螺帽不 超 過3250lbf.ft（4407N?m），否則會導致零件和工具損壞。最后磅緊前鎖定螺帽，確保螺帽與低壓渦輪軸的開口槽對正。最大旋轉角度為2°。

使用相應工具磅緊與高壓渦輪后安裝邊相連接的螺栓上的84 個螺帽，磅緊力矩為180～220lbf?ft（20～25N?m）。 之 后 使用相應工具磅緊與低壓渦輪前安裝邊相連接的螺栓上的16 個螺帽，磅緊力矩 為180 ～220lbf?ft（20 ～25N?m）。最后用保險絲穿過這些螺帽進行相應保護。

2 使用帶風扇單元體的方法安裝LPT

首先確保低壓壓氣機盤和風扇葉片作為一個組件已安裝到發動機上，再在低壓壓氣機盤的保持環上安裝支撐，用4 個螺栓連接該支撐。上文描述了水平安裝LPT 到發動機上的步驟，其中，磅緊LPT 前鎖螺帽的初始力矩為3150 ～3250lbf?ft（4271 ～4407N?m），通過使用牛頭工裝，經過牛頭工裝中一系列減少力矩值作用，工作者僅需在牛頭工裝一端使用300lbf?ft（407N?m）的力矩進行磅緊，即可滿足V2500 EM 手冊中水平裝配LPT 到發動機上的要求，如表1 所示。

表1 機械扳手輸入值與輸出值對比

依據牛頓第三定律，磅緊LPT 前鎖螺帽時會產生相應的反作用力矩作用在風扇單元體上，由于反作用力沒有通過類似牛頭的工裝減少力矩，需要工作者在風扇上施加4271 ～4407N?m 的力矩來保證LPT 的前鎖螺帽達到相應的磅緊力矩值。V2500 發動機的風扇葉片弦長約1.6m，依據力矩公式M=L×F（M 為力矩值，L 為從轉動軸到著力點的距離，F 為力），假設每個成年男性工作者能提供的力為500N，因此需要5 ～6 人在磅緊前鎖螺帽時提供反作用力。由于每個人使用的力均不相同，這些力作用在風扇葉片上可能對風扇葉片等零件造成損害；同時，車間每個總裝小組的成員為6 人左右，意味著在安裝LPT 時需要全組人員一起工作才能提供足夠的反作用力矩，造成人力大量浪費，總裝效率低下。這種方法在公司V2500 航空發動機大修能力建立初期工作量不算太大時能夠滿足需要，但當V2500 發動機維修量逐年增加后則無法滿足要求。

3 使用不帶風扇單元體的方法安裝LPT

在使用不需要帶風扇單元體的工裝設備安裝LPT 時，磅緊LPT 前鎖螺帽所產生的反作用力矩會作用在牛頭工裝上，由于牛頭工裝上的轉動軸到著力點的距離較短，由力矩公式可知需要在牛頭工裝邊緣施加較大的反作用力；另外，從圖2 可以看到，牛頭工裝的底端為圓滑的半圓，工作者很難把握牛頭工裝的著力點，因此使用人力在牛頭工裝上提供反作用力矩是不現實的。使用人力在牛頭工裝上施加反作用力矩不僅不能達到反作用力效果，還可能對人員造成危害，因為力矩扳手在磅緊時的行程非常大。鑒于此，需要設計一種不帶風扇單元體的LPT 螺帽磅緊力矩扳手固定器。

4 固定器工裝材料的選擇

本文所選的固定器工裝材料為鋁合金。純鋁密度小（ρ=2.7g/cm3），約為鐵的1/3，有很高的塑性，易加工，耐腐蝕性好，但由于其強度較低而不宜作為結構材料。鋁合金是通過在鋁中加入合金元素及運用熱處理等方法強化后得到的，在保留純鋁部分優點的同時還具有較高的強度，使其成為理想的結構材料被廣泛使用。鋁合金型材具有密度小、強度高、耐蝕性好等優點，在達到同樣的力學性能指標下重量比鋼減輕47%，質地相對鋼鐵來說更軟，發生碰撞時能更好地變形吸能。本文所選的固定器工裝需要滿足重量較輕以方便工作者的搬運與操作，還需滿足耐用要求，鑒于工裝的存放環境還需要耐腐蝕。另外，在進行LPT 前鎖螺帽的磅緊工作時，由于牛頭工裝與工裝之間有間隙，牛頭工裝會隨著工作者的用力而產生晃動而與固定器產生碰撞，需要固定器有變形吸能的功能。因此，固定器工裝材料選擇為鋁合金。

5 固定器工裝的研制

本文研制的工裝包括三部分：橫梁；固定牛頭工裝和橫梁的限位柱；固定發動機風扇機匣和橫梁的限位塊。

5.1 固定牛頭工裝和橫梁的限位柱

固定牛頭工裝和橫梁的限位柱是兩個與水平面呈60°的斜平面（見圖4），分別固定在牛頭工裝的兩側。選擇這個角度的原因是牛頭工裝垂直于水平面時其與水平面的夾角正好為60°，這樣固定牛頭工裝和橫梁的限位柱與牛頭工裝更加契合。需要保證固定牛頭工裝和橫梁的限位柱與牛頭工裝接觸平面之間的寬度大于或等于牛頭工裝的寬度，以固定限位牛頭工裝。如果橫梁的寬度小于牛頭工裝的寬度，在使用牛頭工裝進行低壓渦輪前鎖螺帽的磅緊工作時，固定牛頭工裝和橫梁的限位柱的壓強會較大。固定牛頭工裝和橫梁限位柱的水平面采用內部螺栓連接外部焊接的方式與橫梁固定在一起。

圖4 固定牛頭工裝和橫梁的限位柱

5.2 橫梁

橫梁為一個長方體（見圖5），橫梁的長度需要保證橫梁兩端都與風扇機匣的限位塊連接并固定，橫梁的寬度需要保證大于或等于固定牛頭工裝和橫梁的限位柱的寬度，以固定限位柱。圖5a）中的黑點處為橫梁與限位柱螺栓連接的位置。

圖5 橫梁

5.3 固定發動機風扇機匣和橫梁的固定塊

兩個固定發動機風扇機匣和橫梁的固定器分別由一個扇形面和一個長方體焊接而成，其中，扇形面將固定器固定在風扇機匣上，長方體使固定器與工裝橫梁固定。如圖6 所示，風扇框架上有48 個螺栓孔，這些螺栓孔將發動機進氣道連接到航空發動機上，本文選取風扇機匣上半邊的3 個螺栓孔來固定固定器，固定器在風扇機匣上的示意圖如圖7 所示。

圖6 固定器

圖7 固定器在風扇機匣上的示意圖

依據上述工裝的研制進行實際工裝的制造，在車間一臺V2500 航空發動機大修總裝上進行實際驗證，實際工裝安裝在發動機上的示意圖如圖8 所示。

圖8 固定器在實際工作中的使用

制作完成的V2500 LPT 螺帽磅緊力矩扳手固定器工裝由兩部分組成，一部分是兩個固定牛頭工裝和橫梁的定位柱與橫梁焊接在一起作為一個整體，另一部分是兩個固定風扇機匣和橫梁的固定塊。安裝牛頭工裝后，先在風扇機匣上安裝兩個固定風扇機匣和橫梁的固定塊，再將橫梁放置在固定塊中，兩端用保險銷插上，確保工裝在磅緊過程中橫梁不會從固定塊中脫出而造成人員傷害。

實際工作中使用該固定器工裝只需一名機械員就可完成低壓渦輪單元體前鎖螺帽磅緊工作，總裝小組內其余工作者可從事風扇機匣上附件的裝配，從而大大提高了總裝的工作效率。

6 結束語

本文分析了V2500 發動機水平安裝LPT 的步驟，對關鍵步驟磅緊LPT前鎖螺帽進行了優化。對比了兩種不同的安裝方法，選擇適合的工裝材料和工裝各零件，研制出不帶風扇單元體進行安裝的V2500 LPT 螺帽磅緊力矩扳手固定器。該工裝成功組裝發動機并試車通過，經客戶使用證實了該安裝方法的適用性和可行性，顯著提高了總裝效率。